陶瓷釉料懸浮劑與解凝劑的使用研究

李家鐸 羅振峰 邱再林 張 磊

(1 廣東三水大鴻制釉有限公司 廣東 佛山 528143)(2 佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 廣東 佛山 528000)

前言

隨著社會和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們對于陶瓷產(chǎn)品的質(zhì)量要求越來越高。對于陶瓷產(chǎn)品來說，釉面的質(zhì)量高低是影響其質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。陶瓷產(chǎn)品的釉面質(zhì)量除了與釉漿的特性及施釉工藝有關(guān)之外，還與其所使用添加劑的種類有很大的關(guān)系。特別是目前隨著建筑陶瓷行業(yè)的迅猛發(fā)展，快速成形、快速燒成及噴墨印刷技術(shù)的應(yīng)用使陶瓷產(chǎn)能快速提升，與之對應(yīng)的是長期無序開采和粗放式生產(chǎn)導(dǎo)致優(yōu)質(zhì)陶瓷原料的急劇減少，為了獲得具有良好釉料的工藝性能，并滿足制釉和施釉工藝的嚴(yán)格要求，保證生產(chǎn)穩(wěn)定和高效地進(jìn)行，選擇合適的釉料添加劑并確定較佳使用比例至關(guān)重要。

1 陶瓷添加劑概述

1.1 陶瓷添加劑的分類和作用

陶瓷添加劑隨陶瓷的產(chǎn)生而產(chǎn)生，為了調(diào)節(jié)釉料的性能，草木灰、動物骨灰、皂土等早早就被古人在陶瓷上應(yīng)用，按照現(xiàn)在的概念，這就是典型的添加劑，只是古人沒有這個概念而已。各種新型陶瓷添加劑是現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)中高新技術(shù)的產(chǎn)物，其優(yōu)異的使用性能有力地促進(jìn)了陶瓷工業(yè)生產(chǎn)向高質(zhì)量、高效率的方向發(fā)展。陶瓷添加劑按成分可以分為無機(jī)物、有機(jī)物和復(fù)合物；按作用可以分為分散劑、塑化劑、絮凝劑、表面活性劑、防腐劑等。

陶瓷添加劑在生產(chǎn)中的用量不大(通常在0.1%～2.0%)，但作用卻很大。陶瓷添加劑的應(yīng)用和對各種新型添加劑的開發(fā)已成為陶瓷工業(yè)發(fā)展的一個重要部分。20世紀(jì)80年代以來，隨著輥道窯的投入使用，建筑陶瓷大量穩(wěn)定生產(chǎn)得以實現(xiàn)，陶瓷添加劑的研究和開發(fā)速度加快，其應(yīng)用范圍起來越廣，遍及傳統(tǒng)陶瓷產(chǎn)業(yè)和新型陶瓷產(chǎn)業(yè)的各個領(lǐng)域。

不同的添加劑有不同的作用，有的添加劑能同時起到不同的作用，面對龐大的陶瓷添加劑家族，若全面進(jìn)行研究，是相當(dāng)困難的，筆者僅從常用的幾種釉料添加劑著手，進(jìn)行簡單的實驗研究。釉料添加劑的作用主要有：調(diào)整釉漿粘度，獲得所要求的釉漿的觸變性，調(diào)整釉漿的密度，防止釉漿沉淀，促進(jìn)釉料的排氣和除泡，改變釉料的流變學(xué)性能，調(diào)整釉料的保水性，改善坯釉結(jié)合等。

1.2 常用的釉料添加劑

為了使釉料達(dá)到需要的特性，一般會使用懸浮劑與解凝劑。這2類的種類繁多，有一部分添加劑甚至同時具有兩者性能。

1.2.1 常用懸浮劑

釉料主要是由瘠性原料組成，并且各種原料的性能差異很大，所以釉料通常需要加入懸浮劑來穩(wěn)定釉漿性能，防止釉漿產(chǎn)生沉淀、分層。其常用的懸浮劑有：

1.2.1.1 高嶺土(Al2O3·2SiO2·2H2O)

高嶺土在陶瓷發(fā)展史上一直扮演著重要的角色，是重要的陶瓷坯釉原料，長期大量無序的開采使優(yōu)質(zhì)高嶺土礦越來越少。隨著大量化工原料的使用，熔塊已經(jīng)成為釉料的主要組成部分，高嶺土的作用也轉(zhuǎn)變?yōu)樽畛Ｓ玫膽腋?，陶瓷廠家使用的絕大部分釉料配方中都有高嶺土。高嶺土的懸浮性一般與顆粒大小有關(guān)，粒度越細(xì)，懸浮性就越好。添加量一般為5%～10%。

1.2.1.2 羧甲基纖維素鈉(CMC,C8H11O7Na)

CMC成為釉料添加劑是陶瓷產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的產(chǎn)物，因其在食品行業(yè)廣泛應(yīng)用和優(yōu)良的增稠、乳化、懸浮、保水、增強韌性等性能引起陶瓷技術(shù)人員的喜愛而得以在陶瓷行業(yè)快速推廣使用。由于聚合度的不同，所得產(chǎn)品的性能也不一樣，陶瓷行業(yè)往往根據(jù)其聚合度不同所表現(xiàn)出來的粘度特性將其分為高粘度CMC、中粘度CMC、低粘度CMC 3種。添加量一般為0.1%～0.2%。

1.2.2 常用解凝劑

1.2.2.1 水玻璃(Na2O·nSiO2)

陶瓷行業(yè)常用硅酸鈉為水溶物，其物理性質(zhì)隨著其組成中的Na2O與SiO2的比例不同而存在較大差異。為了取得更佳的解凝效果，一般是采用0.2%～0.5%的碳酸鈉與硅酸鈉混合使用，因其使用對坯體有增加強度作用，更多使用于坯體加工。

1.2.2.2 純堿

純堿(碳酸鈉，Na2CO3)一般和水玻璃混合使用,純堿受潮后會生成碳酸氫鈉，對泥漿有絮凝作用,因此，純堿保存時要注意防潮。

1.2.2.3 腐植酸鈉

腐植酸鈉又名胡敏酸鈉，是由褐煤、煤矸石、泥漿等粉末與堿合成的，在陶瓷生產(chǎn)中的應(yīng)用很廣泛。由于腐植酸根具有絡(luò)合作用，可促使?jié){料稀釋，降低粘度。但單獨使用腐植酸鈉作為稀釋劑時，稀釋效果一般不太理想，特別是在含有有機(jī)質(zhì)較多的泥漿中效果更差，其觸變性也較大。其加入量不宜超過0.25%，否則在快速燒成的墻地磚中會因氧化不完全，易產(chǎn)生黑心現(xiàn)象。

1.2.2.4 磷酸鹽

陶瓷工業(yè)中常用的磷酸鹽主要有三聚磷酸鈉(STPP)、焦磷酸鈉和六偏磷酸鈉。其解膠機(jī)理是離子之間的置換和絡(luò)合效應(yīng)，對一般類型的粘土均有明顯的解凝作用，是目前我國眾多陶瓷生產(chǎn)廠家最常用的稀釋劑之一。

1.3 懸浮劑和解凝劑的作用機(jī)理

1.3.1 懸浮劑的作用機(jī)理

通過吸附于固體顆粒的表面，降低液-液或固-液之間的界面張力。使凝聚的固體顆粒表面易于濕潤。同時在固體顆粒的表面形成吸附層,使固體顆粒表面的電荷增加，提高形成立體阻礙的顆粒間的反作用力。從而使固體粒子表面形成雙分子層結(jié)構(gòu),外層分散劑極性端與水有較強親合力,增加了固體粒子被水潤濕的程度。固體顆粒之間因靜電斥力而遠(yuǎn)離。最終使體系均勻，懸浮性能增加，不沉淀，使整個體系物化性質(zhì)一樣。

1.3.2 解凝劑的作用機(jī)理

漿料與水拌合后，由于顆粒分子引力的作用，使?jié){料形成絮凝結(jié)構(gòu)，使10%～30%的拌合水被包裹在顆粒之中，不能參與自由流動和潤滑作用，從而影響了流動性。當(dāng)加入減水劑后，由于減水劑分子能定向吸附于顆粒表面，使顆粒表面帶有同一種電荷，形成靜電排斥作用，促使顆粒相互分散，絮凝結(jié)構(gòu)破壞，釋放出被包裹部分水，參與流動。

2 懸浮劑和解凝劑的應(yīng)用

2.1 工業(yè)懸浮劑和解凝劑的應(yīng)用實例

因受釉料的種類、施釉的工藝、產(chǎn)品特性等多方面因素影響,致使添加劑的選擇和使用狀況有所不同。表1為某企業(yè)釉料檢驗常用的STPP和CMC使用狀況。

表1 某企業(yè)釉料檢驗常用的STPP和CMC使用狀況

注：刮釉是模仿陶瓷生產(chǎn)線淋釉工藝，噴釉模仿陶瓷生產(chǎn)線噴釉或甩釉工藝。

2.2 懸浮劑和解凝劑的用量實驗

根據(jù)釉料特性，擬從生料釉和印刷釉2個產(chǎn)品進(jìn)行實驗，了解添加劑對釉漿性能的影響。實驗選擇CMC(高粘度)和STPP 2種添加劑。

2.2.1 生料釉實驗

本實驗采用控制變量法，固定配方生料釉，為了保證釉漿量，為確保釉漿量能夠滿足實驗要求，每次釉料使用量200 g，快速球磨機(jī)研磨時間14 min，取研磨后50 mL釉漿和靜止24 h后50 mL釉漿測試流動速度，探討CMC和STPP用量對釉漿性能的影響。

表2 生料釉刮釉實驗(加水量為45 mL每100 g生料)

表3 生料釉噴釉實驗(加水量為70 mL每100 g生料)

續(xù)表3

實驗結(jié)論：

1)低容重釉漿因為含水率高，有利于自身流動，STPP的用量會比高容重釉漿少。

2)大部分釉漿靜置24 h后流動性會變差，流動時間變長，選擇添加劑時需要考慮這個變化。

3)當(dāng)CMC和STPP添加量在釉料加入量在0.1%～0.25%范圍變化時，釉漿性能基本處于可滿足正常工藝需求狀態(tài)，超出這個范圍時釉漿的均一性和流動性都會很不理想。

4)CMC和STPP在生產(chǎn)中應(yīng)該避免單獨使用，單獨使用CMC會增加釉漿粘度，降低其流動性；單獨使用STTP盡管短時間會提高釉漿流動性，但是釉漿穩(wěn)定性不佳，無法保障正常使用。

2.2.2 印刷釉料方面的實驗及結(jié)論

表4 STPP加入量固定為0.15%，CMC變量釉漿流速變化實驗(釉料質(zhì)量100 g,加水70 mL,研磨12 min)

表5 CMC加入量0.15%,STPP變量釉漿流速變化實驗(釉料質(zhì)量100 g,加水70 mL,研磨12 min)

1)釉漿靜置后流速變慢，漿料應(yīng)該盡快進(jìn)入下一工序，以免影響釉面產(chǎn)生的不良反應(yīng)。

2)在STPP加入量固定為0.15%時，隨著CMC加入量增加釉漿流速變慢，釉漿穩(wěn)定性變好，不易分層，靜置后恢復(fù)原狀所需攪拌時間會減少，加入量太大會導(dǎo)致釉漿過于黏稠，存放后無法正常流動。

3)在CMC加入量0.15%時，隨著STPP加入量的增加，釉漿流速加快，但是靜置后恢復(fù)原狀所需攪拌時間會增加，這對于釉料的存放極為不利。

4)檢驗靜置前后流速的原因不單只是觀察流速的變動，重要的是查看其靜置后懸浮性是否適合，恢復(fù)原狀能力的強弱性，這對于釉料的存放是一個重要指標(biāo)。

圖1 STTP加入固定量為0.15%，CMC變量釉漿流速變化

圖2 CMC加入量0.15%,STPP變量釉漿流速變化實驗

3 結(jié)語

通過上述的實驗我們可以看出，盡管CMC和STPP在釉料中的使用比例很低，但對釉漿性能的影響卻是非常大，這就要求我們在選擇和使用添加劑時要特別慎重，既要選對又要嚴(yán)格控制其使用量。由于釉料自身特性的不同和施釉工藝要求不同等差異，對添加劑的使用范圍要求也會有所差異，為此在使用之前必須經(jīng)過多次實驗才可投入生產(chǎn)。同樣使用在釉料中時添加劑的影響方向是大體一致的，所以使用時可保持選擇方向不變的前提下，在用量方面進(jìn)行實驗修正，最終確定理想比例。

本次實驗由于時間關(guān)系，方法較為單一，結(jié)論只是一種趨勢，后續(xù)需要更加詳細(xì)、完整的實驗來對上述結(jié)論進(jìn)行佐證和修正。